과산화수소 4/5 검출 - 프러시안 블루 사용

과산화수소 감지

과산화수소의 전기 화학적 검출은 산화 효소를 사용하는 바이오 센서의 구성에 흥미롭습니다. 검출과 관련된 주요 문제는 과산화수소의 산화가 Ag/AgCl 대비 0.6V 이상의 전위에서 일어난다는 것입니다. 이렇게 높은 전위에서는 실제 시료에 존재하는 다른 많은 종들도 간섭할 수 있습니다. 이러한 종으로는 아스코르브산염(비타민 C), 빌리루빈, 요산염 등이 있습니다.

멤브레인을 통해 전극에서 이러한 종을 배제하는 아이디어가 개발되었습니다. 이 막은 전극에서 전극으로의 모든 수송 과정을 더 어렵게 만들 것입니다. 이후 효소에서 전극으로 전자를 운반하는 매개체가 개발되었고 일부 산화 효소 기반 전극에서는 과산화수소 검출이 더 이상 필요하지 않게 되었습니다.

앞서 언급했듯이(과산화수소를 감지하는 이유 장 참조) 과산화수소는 효소에 의해 생성되지만 세포에 유해합니다. 세포는 과산화수소를 고갈시키기 위해 퍼옥시다아제를 사용합니다. 양 고추냉이 과산화효소는 전극이 효소의 활성 중심과 직접 통신할 수 있기 때문에 전기 화학 응용 분야에 널리 사용됩니다. 따라서 과산화효소는 과산화수소 검출에 사용할 수 있지만 이 효소의 높은 비용, 낮은 안정성, 전극에 결합하기 어렵다는 점 때문에 무기 대체물을 찾는 것이 흥미로웠습니다.

프러시안 블루 사용

전극의 얇은 프러시안 블루 층은 매우 적합한 대안입니다. 1990년 첫 번째 조사에서는 환원 시 약 40mV 대 Ag/AgCl을 적용하여 우수한 성능의 센서를 보여주었습니다. 과산화수소에 대한 프러시안 블루의 촉매 활성이 산소보다 100배 이상 높다는 사실이 입증되자 과학계는 큰 관심을 보였습니다. 최적화 과정을 통해 프러시안 블루 기반 센서는 Ag/AgCl에 비해 0V에서도 잘 작동할 수 있었기 때문에 프러시안 블루를 '인공 과산화효소'라고 부르게 되었습니다. 이러한 낮은 전위에서는 많은 일반적인 간섭 물질이 전기 화학 반응을 보이지 않습니다.

프러시안 블루의 촉매 효과와 선택성은 프러시안 블루의 결정 구조에 따른 결과입니다. 결정에는 과산화수소가 들어갈 수 있는 작은 채널이 있습니다. 철 이온에 둘러싸여 과산화수소로 전자가 쉽게 전달됩니다. 다른 대부분의 간섭 종의 경우 채널이 충분히 크지 않습니다.

제한 사항

안타깝게도 이러한 센서는 중성 또는 산성 용액에만 사용할 수 있습니다. 프러시안 블루는 알칼리성 용액에서는 안정적이지 않습니다. 프러시안 블루의 철 이온은 물에 용해되는 수산화철을 형성합니다. 이는 해당 산화 효소가 알칼리성 영역에서 최적의 pH 값을 가질 때 문제가 됩니다. 연구자들은 중성 또는 알칼리성 매질에서 더 높은 안정성을 보이는 프러시안 블루 필름을 만들기 위해 다양한 방법을 개발했습니다. 대부분은 철이 수산화 이온에 쉽게 접근할 수 있으므로 구조를 변경하면 이미 안정성이 높아진다는 아이디어에 기반하고 있습니다. 다른 기술은 다른 이온이 있는 상태에서 프러시안 블루를 증착하거나 침전시키는 새로운 방법입니다.

Sitnikova 등[1]은 프러시안 블루(헥사시아노페레이트 철)와 니켈 헥사시아노페레이트의 레이어드 필름을 개발했습니다. 이 필름은 감도 손실 없이 수 시간 동안 안정적이며 중성 및 알칼리성 용액에서도 안정적입니다. 다른 철 리간드의 존재도 이 층에 위협이 되지 않습니다.

문학

[1] N. Sitnikova, A. Borisova, M. Komkova, A. Karyakin, Anal Chem 83 (2011), p. 2359-2363.